Вопрос о возникновении жизни на Земле занимает умы ученых на протяжении многих столетий. Существует множество гипотез, объясняющих этот процесс, начиная от креационизма и заканчивая панспермией. Среди них есть и теории, предполагающие биохимическую эволюцию: считается, что химические реакции, спровоцированные электрическим разрядом, могли привести к образованию органических молекул из неорганических веществ. Химики из Стэнфордского университета провели эксперимент, результаты которого подтверждают эту точку зрения.
В 1952 году химик Стэнли Миллер и физик Гарольд Юри из США провели классический эксперимент, в ходе эксперимента моделировались условия, характерные для ранней Земли. Задача заключалась в проверке сценария химической эволюции: можно ли было получить органические вещества из неорганических соединений под воздействием электрического разряда.
Фактически, это было подтверждение гипотезы, предложенной ранее советским ученым-биологом Александром Опариным и британским популяризатором науки Джоном Холдейном. Ученые полагали, что условия, преобладававшие на ранней Земле, благоприятствовали химическим процессам, в результате которых из неорганических веществ могли образоваться органические молекулы.
Миллер и Юри разработали герметичную систему, включающую несколько камер, соединенных стеклянными трубками. В одной из камер была помещена вода, служащая моделью первичного океана, которая нагревалась для образования пара. Другая камера содержала газ, а именно смесь, состоящую из метана ( CH4), аммиака (NH3), водорода (H2) и монооксида углерода (CO), считается, что эти газы и пар составляли атмосферу ранней Земли. Затем в систему подавались электрические разряды, имитирующие молнии. Они обеспечивали энергией для протекания химических реакций между газом и паром.
Электрические разряды инициировали химические реакции, в ходе которых из неорганических молекул начали формироваться органические соединения. В ходе эксперимента, который продолжался более недели, были получены аминокислоты — основные компоненты, из которых строится жизнь. Наиболее распространенной аминокислотой среди полученных оказалась глицин.
Согласно результатам исследований, сильные удары молний в атмосфере ранней Земли могли спровоцировать химические процессы, в результате которых образовались органические молекулы.
Однако впоследствии эксперимент Миллера и Юри продемонстрировал подвергли критике. Считается, что в эпоху молодой Земли молнии возникали не так часто, чтобы вызвать массовое формирование органических веществ. Согласно расчетам, даже при интенсивных грозах молнии не смогли бы за миллионы лет произвести достаточное количество органических соединений, необходимых для возникновения жизни.
Даже при условии, что электрические разряды способствовали образованию органических веществ, их концентрация в океане была бы крайне низкой. В те времена океан покрывал значительную площадь планеты, и попавшие в воду молекулы быстро распространялись. Создание сложных структур, таких как РНК или белки, требует высокой локальной концентрации веществ, что не представляется возможным в таком огромном водном объеме.
Вероятно, химические реакции замедлялись из-за низкой концентрации веществ. В лабораторных условиях Миллер и Юри использовали замкнутую систему, что обеспечивало накопление продуктов реакции. В океане же соединения могли подвергаться разрушению под воздействием ультрафиолетового излучения или окислению.
Команда ученых, состоящая из химиков и физиков из Стэнфордского университета, во главе с Ричардом Заре ( Richard Zare) учёный провела эксперимент и выдвинула альтернативную гипотезу: для возникновения электрических разрядов не нужны гигантские молнии, достаточно микроскопических искр, образующихся в водяных брызгах.
Ученые обнаружили, в процессе взаимодействия микроскопических капель воды с газом в камере формируются миниатюрные электрические разряды, которые ученые называют «микромолниями». Авторы исследования полагают, что эти крошечные вспышки способны синтезировать важные органические молекулы, не требуя при этом сильных электрических разрядов.
Заре и его соавторы внесли воду в камеру, содержащую газовую смесь, имитирующую, как полагают, состав атмосферы ранней Земли, включающую азот, метан, углекислый газ и аммиак. Для проведения эксперимента не использовались внешние источники энергии, полагалось только на взаимодействие водных капель.
Во время распыления в камере капли воды приобрели различные электрические заряды: крупные капли — положительные, мелкие — отрицательные. При столкновении или сближении таких капель возникали миниатюрные электрические разряды. Исследователям удалось зафиксировать вспышки света длительностью в наносекунды, используя камеры с высокой скоростью съемки.
Эксперимент продемонстрировал, что энергии, генерируемой такими «микромолниями», вполне достаточно для инициирования химических реакций, в результате которых образуются органические молекулы, содержащие углеродно-азотные связи. В числе образовавшихся соединений был обнаружен циановодород (предшественник аминокислот, HCN), простейшая аминокислота глицин (C2H5NO2) и урацил (C4H4N2O2) — один из компонентов ДНК и РНК.
Изучение команды Заре позволяет переосмыслить процесс возникновения жизни. Предполагается, что на ранней Земле не было редких, но сильных электрических разрядов, а существовала постоянная среда с мелкими электрическими вспышками. Стабильный синтез органических молекул мог происходить благодаря крошечным искрам в водопадах, брызгах волн и струях пара, что создало бы подходящие условия для зарождения жизни.
По мнению исследователей, аналогичные явления способны протекать и на других объектах Солнечной системы, где существуют схожие условия. В частности, на ледяных спутниках Юпитера и Сатурна, где, как полагают, присутствует вода. Не исключено, что эти же химические реакции, которые миллиарды лет назад могли способствовать зарождению жизни на Земле, происходят в настоящее время в криовулканических выбросах Энцелада или в водяных шлейфах Европы.
Результаты научной работы представлены в журнале Science Advances.